(57)【要約】【課題】  色ムラのない、高輝度の三色混合型のバックライト光源としての照明装置、およびそれを搭載した透過型の画像表示装置を提供する。【解決手段】  赤、緑および青色の光を発する発光ＬＥＤ３、４および５と、赤、緑および青色の光を、それぞれ分岐させることにより、複数の赤、緑および青色の光を出射する、フォトニック結晶からなる光分岐回路２と、光分岐回路２が出射する複数の赤、緑および青色の光に基づいて、バックライト光を出射する導光板１とを備える。光分岐回路２は、赤用、緑用および青用の導波路をそれぞれ専用に備える三層構成であってもよい。導光板１を、導波路と垂直立ち上げを有するフォトニック結晶で構成し、光分岐回路２は各光をそれぞれｓ波およびｐ波に偏光分離するものであってもよい。【選択図】  図１
2005129241.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
画像を表示する透過型の画像表示装置のバックライト光源となる三色混合型の照明装置であって、
赤、緑および青色の光を発する発光手段と、
前記発光手段が発する前記赤、緑および青色の光を、それぞれ分岐させることにより、複数の赤、緑および青色の光を出射する光分岐手段と、
前記光分岐手段が出射する前記複数の赤、緑および青色の光に基づいて、バックライト光を出射する導光板と
を備えることを特徴とする照明装置。
【請求項２】
前記光分岐手段は、周期的屈折率変化構造を有する
ことを特徴とする請求項１記載の照明装置。
【請求項３】
前記光分岐手段は、さらに、
前記赤、緑および青色の光をそれぞれ伝播させる赤用、緑用および青用の導波路と、
各前記導波路の側面に形成され、各前記導波路を伝播する各前記色のいずれの光をも各前記導波路外に進入させない光禁制帯と
を備えることを特徴とする請求項１または２記載の照明装置。
【請求項４】
前記赤用、緑用および青用の導波路の幅の長さをそれぞれ異なる値にすることにより、各前記導波路を伝播する各光の中心波長を、前記発光手段で発せられた各光の中心波長と一致させる
ことを特徴とする請求項３記載の照明装置。
【請求項５】
前記光分岐手段は、さらに、
前記赤、緑または青色の１つの光を２つの同色の光にＴ字型に分岐させる二分岐手段
を備えることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の照明装置。
【請求項６】
前記光分岐手段は、さらに、
互いに異なる色用の各前記導波路が交差しようとする地点において、片方の各前記導波路が、前記光禁制帯により２つの端点で分断される各前記導波路を備える第１の層と、
前記第１の層と接触して備えられ、前記第１の層における前記２つの端点とそれぞれ接触する位置を２つの端点とする、第１の層で分断された同色用の各前記導波路を備える第２の層と
を備えることを特徴とする請求項３〜５のいずれか１項に記載の照明装置。
【請求項７】
前記光分岐手段は、さらに、
前記赤用の導波路を備え、前記緑用および青用の導波路を備えない赤用光分岐層と、
前記緑用の導波路を備え、前記青用および赤用の導波路を備えない緑用光分岐層と、
前記青用の導波路を備え、前記赤用および緑用の導波路を備えない青用光分岐層と
を備えることを特徴とする請求項３〜５のいずれか１項に記載の照明装置。
【請求項８】
前記赤用光分岐層、緑用光分岐層および青用光分岐層が積層され、各前記層の各出射端の位置が、それぞれ積層方向に一致するように設置されている
ことを特徴とする請求項７記載の照明装置。
【請求項９】
前記導光板は、周期的屈折率変化構造を有し、
前記光分岐手段が出射する前記赤、緑および青色の光をそれぞれ入射して伝播させる赤用、緑用および青用の導光板内導波路と、
各前記導光板内導波路の近傍に位置し、各前記導光板内導波路を伝播する前記赤、緑および青色の光を前記導光板の表面に対してほぼ垂直な方向に出射させる垂直立ち上げ手段と
を備えることを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載の照明装置。
【請求項１０】
前記赤用、緑用および青用の導光板内導波路の各入射端の位置が、前記光分岐手段の赤、緑および青色の出射端の位置と一致している
ことを特徴とする請求項９記載の照明装置。
【請求項１１】
前記光分岐手段は、さらに、
前記赤、緑および青色の光をそれぞれｓ波およびｐ波に偏光分離する偏光分離手段を備え、
出射端の中央より片側には前記赤、緑および青色の光の前記ｓ波を出射し、他方の片側には前記ｐ波を出射する
ことを特徴とする請求項１０記載の照明装置。
【請求項１２】
前記偏光分離手段は、
前記ｓ波および前記ｐ波のいずれかを反射させ、他方を透過させる
ことを特徴とする請求項１１記載の照明装置。
【請求項１３】
前記偏光分離手段は、各前記導波路中に各前記導波路と４５°の角度で設置され、前記反射波を９０°の角度に反射させ、
前記光分岐手段は、
前記反射波を伝播させる、各前記導波路と９０°の角度で設置された各前記導波路と、
前記透過波を伝播させる、各前記導波路と１８０°の角度で設置された各前記導波路と
を備えることを特徴とする請求項１２記載の照明装置。
【請求項１４】
画像を表示する透過型の画像表示装置であって、
請求項９または１０記載の照明装置と、
前記導光板の出射光の進行方向に設置され、前記導光板の出射するバックライト光が入射される透過型表示手段とを備え、
前記導光板において前記赤用、緑用および青用の導光板内導波路の設置される間隔が、前記透過型表示手段の画素列の設置される間隔と一致し、
各前記垂直立ち上げ手段の出射光の進行方向に、前記透過型表示手段の前記出射光と対応する色の各画素が設置されている
ことを特徴とする画像表示装置。
【請求項１５】
画像を表示する透過型の画像表示装置であって、
請求項１１〜１３のいずれか１項に記載の照明装置と、
前記導光板の出射光の進行方向に設置され、前記導光板の出射するバックライト光が入射される透過型表示手段と、
前記透過型表示手段の出射側の表面に設置された偏光板とを備え、
前記偏光板の偏光透過方向は、前記導光板から出射される光の偏光方向と９０°異なる
ことを特徴とする画像表示装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、透過型ディスプレイのバックライト光源となる三色混合型の照明装置、および、それを搭載した液晶ディスプレイや液晶テレビなどの透過型の画像表示装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、画像表示装置として、奥行を必要とするＣＲＴに代わり、薄型ディスプレイが市場を拡大している。薄型テレビとしてはＰＤＰ（Plasma Display Panel）、液晶パネルなどがある。とりわけ、カラー液晶パネルは、半導体をベースにした高画素化技術と低消費電力性を特長として、携帯電話／デジタルビデオカメラ／デジタルスチルカメラの表示画面、パソコン用の液晶ディスプレイ、ＴＶに変わる液晶テレビなどとして、広く使用されるようになっている。液晶パネルは自発光せず、バックライトの透過光量を画素ごとに変えることにより画像を出している。従って、その色再現性の良否は、バックライトがどの程度広い色度数をもっているかによって左右される（例えば、非特許文献１参照）。一般に液晶パネルのバックライトとして用いられる冷陰極蛍光管では、ＮＴＳＣ（National Television System Standard Committee）規格比７０％程度の色度数範囲しか得られないのに対し、赤（Ｒ)、緑（Ｇ)、青（Ｂ）の発光ダイオード（ＬＥＤ）の三色混合を用いた場合には、ＮＴＳＣ規格比９５〜１３０％もの色再現性を得ることができる。すなわち、ＲＧＢ−ＬＥＤ三色混合により、極めて鮮やかな画像を得ることができる。
【０００３】
バックライトの基本は、発光源と、発光した光が液晶パネル全面を照らすよう導く導光板とから構成されている。このバックライトの方式の第１の従来例を図２３に示す（例えば、非特許文献１参照）。図２３に示される照明装置９２０は、個別のＲ、Ｇ、Ｂ−ＬＥＤ３０５、３０６および３０７の光を、ミラー３０４および３０３による反射を用いることによって三色混合を行っている。この場合にはそれぞれのＬＥＤ３０５、３０６および３０７から出た光がミラー３０４を通じて混合され、導光板３０２とミラー３０３を経由して、導光板３０１から放射される。
【０００４】
導光板の材質には、一般にアクリル樹脂が用いられる。反射裏面（液晶パネルに触れない面）に細かい凹凸を形成し、導光板内を反射してきた光を、その凹凸で散乱させることにより、光を導光板内部から外部（液晶パネルがある方向）に取り出す。凹凸の数は、１４インチのＬＣＤで約５０万〜５００万個（大きさは５０〜２００μｍ、高さは１０〜１００μｍ）である。
【０００５】
また、第２の従来例を図２４に示す（例えば、非特許文献１参照）。この従来例における照明装置９２１では、支持台４０５の上に取り付けられたＲ、Ｇ、Ｂ−ＬＥＤ４０２、４０３および４０４を、チップのまま複数並べたものを光源として導光板４０１の横に取り付ける構成をとっている。
また、特許文献１には、導光板の一部を削り、そこにＬＥＤチップを配置する方法が開示されている。
【特許文献１】特開平１１−３５３９２０公報
【非特許文献１】「日経エレクトロニクス」，日経ＢＰ社，no. 844，2003年3月31日号，p.126‐127
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ＲＧＢ−ＬＥＤの三色混合における課題は、均一に色を混ぜることである。Ｒ、Ｇ、B各ＬＥＤの発光位置が異なるため、混合して、仮に中心部分を白色化することができても、周囲は、すこし赤が多くなったり、青が多くなったりして、三色混合後は、やや赤みがかった白色、やや青みがかった白のようになる。すなわち色ムラが発生し、表示画像の品質を著しく劣化させるという問題がある。このため、均一に三色混合させる仕方が重要になる。第１の従来例では、赤、緑および青のＬＥＤ発光点３０５、３０６および３０７が大きく異なるため、おおまかには白色混合可能であるが、周囲まで白色化することは難しい。
【０００７】
一方、第２の従来例では、チップ４０２、４０３および４０４をパッケージ（モジュール）を用いずに多数ならべて、均一な三色混合を図っている。この方法では、多数のＬＥＤチップを高精度でしかも数十ｃｍに渡って実装するため、実現が極めて難しいという問題がある。また、例えば特許文献１に開示された技術では、ＬＥＤの放射角のばらつきを抑制することができず、色ムラが発生しやすいという問題がある。
【０００８】
そこで、本発明は、色ムラのない、高輝度の三色混合型のバックライト光源としての照明装置、およびそれを搭載した画像表示装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記の目的を達成するために、本発明に係る照明装置は、画像を表示する透過型の画像表示装置のバックライト光源となる三色混合型の照明装置であって、赤、緑および青色の光を発する発光手段と、前記発光手段が発する前記赤、緑および青色の光を、それぞれ分岐させることにより、複数の赤、緑および青色の光を出射する光分岐手段と、前記光分岐手段が出射する前記複数の赤、緑および青色の光に基づいて、バックライト光を出射する導光板とを備えることを特徴とする。さらに、前記光分岐手段は、周期的屈折率変化構造を有することを特徴とする。
【００１０】
周期的屈折率変化構造をもつものは、所謂フォトニック結晶である。フォトニック結晶は、光の分岐、急激な折り曲げなど、光を自由に扱うことができ、この性質を用いると、発光手段から出射した光は、光分岐手段内において、フォトニック結晶によって自由に制御することができる。
さらに、前記光分岐手段は、前記赤、緑または青色の１つの光を２つの同色の光にＴ字型に分岐させる二分岐手段を備えることを特徴とする。
【００１１】
このＴ字型分岐を複数回繰り返すことにより、エネルギーは等分に分割されていき、画面のバックライト光の色ムラを低減させることができる。
さらに、前記光分岐手段は、前記赤、緑および青色の光をそれぞれ伝播させる赤用、緑用および青用の導波路と、各前記導波路の側面に形成され、各前記導波路を伝播する各前記色のいずれの光をも各前記導波路外に進入させない光禁制帯とを備えることを特徴とする。
これにより、赤、緑および青色光を導波路内のみに伝播させることができ、伝播損失を低減することができる。
【００１２】
さらに、前記赤用、緑用および青用の導波路の幅の長さをそれぞれ異なる値にすることにより、各前記導波路を伝播する各光の中心波長を、前記発光手段で発せられた各光の中心波長と一致させることを特徴とする。
これにより、各導波路中において効率的に光を伝播させることができる。
【００１３】
前記光分岐手段は、さらに、互いに異なる色用の各前記導波路が交差しようとする地点において、片方の各前記導波路が、前記光禁制帯により２つの端点で分断される各前記導波路を備える第１の層と、前記第１の層と接触して備えられ、前記第１の層における前記２つの端点とそれぞれ接触する位置を２つの端点とする、第１の層で分断された同色用の各前記導波路を備える第２の層とを備えることを特徴とする。
これにより、互いに異なる色用の導波路の交差部で光がリークすることがなくなるので、効率よく各色を伝播させることができる。
【００１４】
前記光分岐手段は、さらに、前記赤用の導波路を備え、前記緑用および青用の導波路を備えない赤用光分岐層と、前記緑用の導波路を備え、前記青用および赤用の導波路を備えない緑用光分岐層と、前記青用の導波路を備え、前記赤用および緑用の導波路を備えない青用光分岐層とを備えることを特徴とする。
【００１５】
これにより、互いに異なる色用の導波路の交差部がなくなり、最適な導波路構造を与えることができる。特に交差付近で、導波路を曲げる必要もなくなり、最もロスの少ない導波構造を実現することができる。
【００１６】
さらに、前記赤用光分岐層、緑用光分岐層および青用光分岐層が積層され、各前記層の各出射端の位置が、それぞれ積層方向に一致するように設置されていることを特徴とする。
これにより、積層方向の発光点の位置が三色とも一致し、さらに三色混合時の色ムラがなくなる。
【００１７】
さらに、前記導光板は、周期的屈折率変化構造を有し、前記光分岐手段が出射する前記赤、緑および青色の光をそれぞれ入射して伝播させる赤用、緑用および青用の導光板内導波路と、各前記導光板内導波路の近傍に位置し、各前記導光板内導波路を伝播する前記赤、緑および青色の光を前記導光板の表面に対してほぼ垂直な方向に出射させる垂直立ち上げ手段とを備えることを特徴とする。さらに、前記赤用、緑用および青用の導光板内導波路の各入射端の位置が、前記光分岐手段の赤、緑および青色の出射端の位置と一致していることを特徴とする。
これにより、従来の導光板において生じていた損失や色ムラを低減することができる。
【００１８】
さらに、画像を表示する透過型の画像表示装置であって、照明装置と、前記導光板の出射光の進行方向に設置され、前記導光板の出射するバックライト光を入射する透過型表示パネルとを備え、前記赤用、緑用および青用の導光板内導波路の設置される間隔が、前記透過型表示パネルの画素列の設置される間隔と一致し、前記垂直立ち上げ手段の各位置が、前記透過型表示パネルの対応する色の各画素の位置と一致していることを特徴とする。
これにより、発光手段から発せられた光は、各色に対応した画素のみに導かれる。従って、従来は画素に導かれることがなかった光までも有効利用することができる。
【００１９】
また、前記光分岐手段は、前記赤、緑および青色の光をそれぞれｓ波およびｐ波に偏光分離する偏光分離手段を備え、出射端の中央より片側には前記赤、緑および青色の光の前記ｓ波を出射し、他方の片側には前記ｐ波を出射することを特徴とする。さらに、前記偏光分離手段は、前記ｓ波および前記ｐ波のいずれかを反射させ、他方を透過させることを特徴とする。さらに、前記偏光分離手段は、各前記導波路中に各前記導波路と４５°の角度で設置され、前記反射波を９０°の角度に反射させ、前記光分岐手段は、前記反射波を伝播させる、各前記導波路と９０°の角度で設置された各前記導波路と、前記透過波を伝播させる、各前記導波路と１８０°の角度で設置された各前記導波路とを備えることを特徴とする。さらに、画像を表示する透過型の画像表示装置であって、照明装置と、前記導光板の出射光の進行方向に設置され、前記導光板の出射するバックライト光を入射する透過型表示手段と、前記透過型表示手段の出射側の表面に設置された偏光板とを備え、前記偏光板の偏光透過方向は、前記導光板から出射される光の偏光方向と９０°異なることを特徴とする。
【００２０】
これにより、従来の構造では、偏光板で光の半分を損失していたものが、本発明では損失になることなく全ての光を用いることができるようになり、極めて輝度の高い画像表示装置を実現することができる。
【発明の効果】
【００２１】
本発明の照明装置は、色ムラがなく、高輝度の三色混合型の照明装置を実現でき、本照明装置を用いることでパソコン、デジタルビデオカメラ、デジタルスチルカメラの液晶モニタや液晶ＴＶ等の高画質化を実現することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながらさらに具体的に説明する。
（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１に係る照明装置の構成を示す図である。１３インチの液晶ディスプレイ用の照明装置９０１は、大きさが縦２０．５ｃｍ、横２７ｃｍであるプラスチック製の導光板１、導光板１の側面（短辺側）にガラス基板上に形成された光分岐回路２、赤色発光ダイオード３、緑色発光ダイオード４、および青色発光ダイオード５を備える。
【００２３】
光分岐回路２内は、周期的屈折率変化構造をもつフォトニック結晶で埋められている。後述するように、フォトニック結晶の一部の周期的屈折率変化を取り除くことにより、光の導波路を形成することができ、光分岐回路２内に赤色光用導波路６、緑色光用導波路７、および青色光用導波路８を形成している（このような導波路構造に関しては、例えば、「O plus E」,新技術コミュニケーションズ社,vol.25, No.2 (2003) p.191参照）。
【００２４】
各色用導波路６、７および８の入射側には赤色発光ダイオード３、緑色発光ダイオード４、および青色発光ダイオード５が取り付けてあり、各ダイオード３、４および５から放出された光はそれぞれ光分岐回路２の各入射部に入射する。各導波路には二分岐部があり、本図では、簡単のため、その二分岐を２回繰り返すことにより、１光入力を４（＝２2）光出力に均等な光量で分岐しているよう描いているが、実際には二分岐を１０回繰り返すことにより、１光入力を１０２４（＝２10）光出力に均等な光量で分岐している。光は赤、緑および青の３入力があるので、合計で３０７２の出力がある。
【００２５】
この光分岐回路２の各出力端は、赤色出力９、緑色出力１０および青色出力１１の繰り返しで構成される。１出力当たりの長さは、２０．５ｃｍ÷３０７２≒６７μmというように十分に細かくなるため、人間の目からはＲ、Ｇ、Ｂの発光場所の違いによる色ムラを認識することはできない。
【００２６】
図１における導波路６、７および８の具体的な構造例として、図１の光分岐回路２の一部分１３の構成図を図２に詳細に示す。二酸化シリコン（ＳｉＯ２）２１の中に、直径約０．０７μmの窒化アルミニウム（ＡｌＮ）２３が、周期ｄ＝約０．１４μｍで多数埋め込まれ、フォトニック結晶２０を形成している。
【００２７】
この構成によれば、フォトニック結晶２０の光禁制帯には可視域の光が全て含まれることになる。また、フォトニック結晶２０の一部には、フォトニック結晶の形成されていない部分２３および２４がある。光禁制帯のため、可視域の光はフォトニック結晶２０内を伝播できないので、フォトニック結晶の形成されていない部分２３および２４を伝播することになる。換言すれば、フォトニック結晶の形成されていない部分２３および２４がすなわち可視域の光の導波路となっている。
【００２８】
さらに導波路に許容される光の波長は、屈折率と導波路の幅の長さで決まる。赤、緑および青用の導波路の幅の長さは、各々５ｄ、４ｄおよび３ｄにしてあるため、各々０．７、０．５６および０．４２μｍとなる。この構成により、赤、緑および青用の導波路には、各々赤、緑および青色の光のみが伝播することになる。
従って、赤用、緑用および青用の導波路の幅の長さを変えることにより、選択的に光を導波することができる。例えば、図２において、フォトニック結晶間隔をｄとする時、赤用導波路２３では幅５ｄに対し、緑用導波路２４では幅４ｄになっている。
【００２９】
赤用導波路２３において入射された赤色光は分岐部２５において二分割される。図で上方向に向かう光は、折り曲げ部２６で損失なく９０°向きが変わり、導波路２８に導かれる。このような鋭角の変化はフォトニック結晶の特徴である。一方、図で下方向に向かう光は交差部２７において緑用導波路２４と交差する。しかし、緑用導波路２４では赤色光は許容されないので赤色光はそのまま、下方向へ伝播する。なお、これら導波路の図の上下方向に光が漏れないように、上下方向は低屈折率特性を持つＳｉＯ２でカバーされている。
【００３０】
図３は、本発明の実施の形態１に係る光分岐回路２（フォトニック結晶）の斜視図である。サファイア１２０の上部に、多数の円筒状のＡｌＮ１２１が形成されており、そのＡｌＮ１２１はＳｉＯ２１２３で覆われている。
【００３１】
図４は、本発明の実施の形態１に係る光分岐回路２（フォトニック結晶）の製造方法を示す図である。まず、図４(ａ）に示すようにサファイア１２０の基板を準備する。次に、図４(ｂ)に示すように、サファイア１２０の基板の上にＡｌＮの層１２１をＭＯＣＶＤ法で形成する。さらに、図４（ｃ）に示すように、ＡｌＮの層１２１の上にステッパーやＥＢ露光により複数のフォトレジスト１２２を形成する。次に、図４(ｄ)に示すように、ドライエッチングによりフォトレジスト１２２の部分の下部以外のＡｌＮの層１２１を取り去る。続いて、図４(ｅ)に示すように、アッシャーによりレジスト１２２を取る。最後に、図４(ｆ）に示すように、ＣＶＤ法でＡｌＮ１２１の周りおよび上部にＳｉＯ２の層１２３を形成する。
【００３２】
図５は、本発明の実施の形態１に係る照明装置９０１を組み合わせた液晶表示装置９１０の外観図を示す。照明装置９０１の上には、第一偏光板３１、カラーフィルタ付液晶パネル３２、および、第二偏光板３３が順に取り付けてられている。図５においてこれらは離れているように示しているが、実際は密着している。第一偏光板３１と第二偏光板３３は透過偏光方向が９０°異なる、所謂クロスニコル配置になっている。
【００３３】
照明装置９０１として、導光板１の短辺部に光分岐回路２が取り付けてあり、さらにその横には、赤色ＬＥＤ３、緑色ＬＥＤ４および青色ＬＥＤ５が取り付けられている。フォトニック結晶は光路を鋭角にすることができるので、１分岐あたり３０μmあれば距離的に十分である。従って、本実施の形態では光の分岐を１０分岐としているので、３０μm×１０＝０．３ｍｍの幅があれば十分である。実際には、各ＬＥＤ３、４および５との接続部、および、補強も含めるため、光分岐回路２の大きさは２０５ｍｍ×１ｍｍとしている。
【００３４】
赤色ＬＥＤ３、緑色ＬＥＤ４および青色ＬＥＤ５から出射した赤色光、緑色光および青色光は、光分岐回路２においてほとんど損失なく分岐され、１０２４点（×３色）の微小点光源となり導光板１に入射される。導光板１内では各色が混ざり合い、色ムラの極めて小さい白色となる。導光板１中では上下方向に光の閉じ込めはないので光は上方向に導かれ、まず第一偏光板３１に入射される。第一偏光板３１で一偏光方向に揃えられたのち、アモルファスシリコンＴＦＴ液晶パネル３２に入射される。液晶パネル３２の各画素には顔料カラーフィルタが取り付けられており、各画素に必要な色のみ選択される。液晶パネル３２で、各画素ごとに異なる量で偏光角を変えられた光は、第二偏光板３２を通過し、最終的に画像が表示されることになる。
【００３５】
以上のように本発明の実施の形態に係る照明装置では、分岐を複数回繰り返すことにより、エネルギーは等分に分割されていき、画面のバックライトの色ムラを低減させることができる。また、赤、緑および青色光を導波路内のみに伝播させることができ、伝播損失を従来よりも低減することができる。
【００３６】
（実施の形態２）
本発明の実施の形態２では、実施の形態1で説明を行った光分岐回路における、図２の光の交差部２７でのわずかな伝播ロスを防ぐため、交差部を二層構造にしているところが異なる。
【００３７】
その例を図６に示す。図６では二つの光分岐回路の層６０７および６０８は離して示しているが、実際は接触している。層６０７には、赤色導波路６０１および６０２と緑色導波路６０３が形成されており、交差しようとしているが、赤色導波路６０１および６０２ではその交差点近傍で導波路の形成が光禁制帯によりストップされている。一方、層６０８では、層６０７でその形成がストップされた二つの位置をつなぐように赤色導波路６０４が形成されている。この二層による構成により、赤色光は層６０７で導波路６０１を伝わった後、移動方向６０５に示すように、そこに近接した層６０８の導波路６０４の出発点に移る。そして、層６０７の緑色導波路６０３と交差することなく、層６０８の赤色導波路６０４を伝わった後、赤色導波路６０４の終了で移動方向６０６に示すように、層６０７の導波路６０２に移る。この結果、赤色光と緑色光は同じ導波路で交差することがないので、光の伝播ロスを防ぐことができる。
【００３８】
（実施の形態３）
本発明の実施の形態３では、実施の形態1で説明を行った光分岐回路における、光の交差部を完全になくすため三層構造にしているところが異なる。
【００３９】
図７は、本発明の実施の形態３に係る照明装置の構造を示す図である。照明装置９０２は、導光板１の横に、ガラス基板１１５上の三層構成の光分岐回路１１４が取り付けられている構成をとる。光分岐回路１１４を各層で分解した様子を図８に示す。
光分岐回路１１４は、赤色光分岐回路１１１、緑色光分岐回路１１２および青色光分岐回路１１３から構成されている。各光分岐回路１１１、１１２および１１３はフォトニック結晶を用いてそれぞれ構成されている。それぞれの入力部に赤色ＬＥＤ３、緑色ＬＥＤ４および青色ＬＥＤ５が取り付けられている。各色の光分岐回路１１１、１１２および１１３の出射位置は、積層方向において同一位置になるようにしている。各光分岐回路１１１、１１２および１１３は薄膜で作製されており、その厚みは２μm以下である。したがって、各色の発光点は、実際上同一の位置とみなすことができ、色ムラをなくすことができる。
【００４０】
（実施の形態４）
本発明の実施の形態４では、実施の形態１で説明を行った導光板をフォトニック結晶で形成しているところが異なる。
【００４１】
本発明の実施の形態４に係る照明装置９０３の構成図を図９に示す。図９では導光板４１と光分岐回路４２とが同一のガラス基板上に形成され、光分岐回路付導光板４３となっている。導光板４１もフォトニック結晶で形成され、赤色用、緑色用および青色用導波路４４、４５および４６が導光板４１の端部まで形成されている。光分岐回路４２の分岐数は、図では簡単のため１色当たり４出力になっているが、実際には８分岐であり、1色あたり２５６（＝２8）出力としている。従って、3色では２５６×３＝７６８出力あり、導光板４１中の導波路４４、４５および４６の総計は７６８本となっている。
【００４２】
図９における、導光板４１と光分岐回路４２との接続部の一部４７の具体的構造を図１０に示す。二酸化シリコン２１の中に、窒化アルミニウム２２が埋め込まれ、フォトニック結晶２０を形成している。このフォトニック結晶２０の光禁制帯（後述する導波路および垂直立上げ部以外の部分）には可視域の光が全て含まれるように設計してある。導波路５３および５４の部分にはフォトニック結晶は形成されておらず、屈折率は一定である。光分岐回路４２の導波路と違って、導光板４１の導波路の近傍には、窒化アルミニウムのない場所（フォトニック結晶欠陥）５１および５２が存在する。フォトニック結晶におけるこのような欠陥は、９０°垂直立上げとして機能する。従って、導波路５３および５４を通過する導波光の一部が、フォトニック結晶欠陥５１および５２において図面のほぼ垂直方向に出射することになり、導光板の機能を果たすことになる。本構成により、従来構造と比べ計算上輝度が約３倍に向上する。
【００４３】
（実施の形態５）
本発明の実施の形態５に係る照明装置９０３と液晶パネル６１を組み合わせた液晶表示装置９１１の構成を図１１に示す。基本構成は実施の形態１で示した図５と類似しているが、導光板４１の各色の導波路が、液晶パネル６１上の各色の画素に対応するように組み立てられている点が異なる。
【００４４】
すなわち、図１２に示すように、光が取り出されるフォトニック結晶欠陥５１および５２の位置を液晶パネル６１上の各画素の開口部７１および７２に合わせている。これにより、液晶パネル６１の遮光部（開口７１および７２以外の部分）で反射される損失がなくなり、更なる高効率化が可能になる。この向上率は、導波路に平行な方向の開口率分だけ向上するので、図１１の構成では、実施の形態４からさらに計算上約１．５倍輝度が向上する（すなわち、従来比４．５倍）。
【００４５】
さらに、液晶パネル６１上の各色の画素には、それに必要な色（例えば赤色用画素には赤色光のみ）が入射されることになる。従って、液晶パネル６１にはカラーフィルタを取り付ける必要がない。従来技術では色分離のため、カラーフィルタで不要光を吸収していたが、そのようなことは必要なくなるので、従来と比べ計算上輝度が約３倍に向上する。
なお、カラー分離を確実なものにするため、液晶パネル６１にはカラーフィルタ付を使用してももちろんよい。
【００４６】
（実施の形態６）
本発明の実施の形態６に係る照明装置９０４の構成を図１３に示す。実施の形態４に係る照明装置９０３の構成を示す図９と基本構成は類似しているが、本実施の形態では光分岐回路８２の入射側からみた第一の分岐部分８６、８７および８８を、後述する方法によって偏光成分（ｓ波およびｐ波）で分岐している点が異なる。
【００４７】
各発光ダイオード３、４および5で発せられる光は無偏光であり、ｓ波およびｐ波は同量含まれるため、光分岐回路８２により光量も二分されることになる。この結果、導光板８１の図１３での上半分８４はｓ偏光に、下半分８５はｐ偏光に分離することができる。
【００４８】
図１４は、本発明の実施の形態６に係る光分岐回路８２における偏光分岐部および偏光分岐の様子を示す図である。図に示すような三列の三段の階段状のフォトニック結晶１４０を偏光分岐部として形成している。このフォトニック結晶１４０は、厚さ約０．１μｍでピッチ約０．１７μｍの三段の階段状の形状のものが、約０．２０μｍのピッチで三列並んだ構造である。
【００４９】
この階段状のフォトニック結晶１４０は、ｐ波を透過させｓ波を反射するという偏光分離の機能を有する（例えば、Electronics Lett. vol.35, no.15, p.1271 (1999)参照）。入射光は、ｓ波（ＴＥ波）１３０とｐ波（ＴＭ波）１３１の和であり、ｐ波１３１は階段状フォトニック結晶１４０を透過し、ｐ波１３３となって伝播する。一方、ｓ波１３０は、４５°傾けられて設置されたフォトニック結晶１４０で反射するので９０°方向を変え、ｓ波１３２となって伝播する。これにより、偏光は分離されて伝播することになる。
【００５０】
なお、この階段状フォトニック結晶１４０は、例えば電子ビーム露光で作製することができる。また、逆にｓ波を透過させｐ波を反射させる偏光分離の機能を有するフォトニック結晶を用いて構成してももちろんよい。
本発明の実施の形態６に係る液晶表示装置の全体構成を図１５に示す。液晶表示装置９１２では、導光板８１からの出射光が既に偏光しているため、液晶パネル６１と導光板８１の間の従来必要であった偏光板は不要である。一方、画面の上半分と下半分で偏光方向が異なるため、液晶パネル６１の上の偏光板９３は画面上半分９１と下半分９２では偏光透過方向が９０°異なっている。従来の構造では、偏光板で光の半分を損失していたが、本発明の実施の形態では損失することなく全ての光を用いることになり、極めて輝度の高い液晶パネルを実現することができる。また、本構成により、従来と比べ計算上輝度が約９倍に向上する。
【００５１】
図１６に、本発明の実施の形態１、４、５および６を用いた場合の輝度向上の相対比較をまとめた図を示す。この図からわかるように、本発明を用いることにより色ムラを改善できるのみならず、輝度を従来に比べ計算上１０倍近くまで高くすることができ、鮮やかな画像を表示することができる。
【００５２】
（実施の形態７）
図１７は、本発明の実施の形態７に係る照明装置の構成を示す図である。本発明に係る照明装置９０５では、フォトニック結晶を用いて光の分岐の代わりに近接を行っている点が異なる。
【００５３】
照明装置９０５において、導光板１の横に光近接回路２００が設けられている。光近接回路２００内では、赤用、緑用および青用導波路２０６、２０７および２０８がフォトニック結晶により鋭角的に集められている。各導波路２０６、２０７および２０８の入射側には赤色ＬＥＤ３、緑色ＬＥＤ４および青色ＬＥＤ５が取り付けられている。フォトニック結晶の効果により、極めて短い間隔（約１０μm以内）で、赤、緑および青色出射点２０９、２１０および２１１を並ばせることができる。ここでは、間隔は約３μmで実現している。従って、各導波路内を導波する、赤、緑および青光は実質上同一発光点からの光とみなすことができ、色ムラが起こることはない。
【００５４】
（実施の形態８）
図１８は、本発明の実施の形態８に係る照明装置の構成を示す図である。照明装置９０６では、光近接回路２０１内で赤用、緑用および青用導波路２０６、２０７および２０８が３列並んだ構成をとっている。これにより、赤、緑および青の実質上の同一発光点が、３ヶ所になり、より均一に導光板１を照らすことができる。すなわち、従来よりも明るさムラが減少する。
【００５５】
（実施の形態９）
図１９は、本発明の実施の形態９に係る照明装置の構成図である。本実施の形態に係る照明装置９０７では、光結合回路５００により三色の光の近接度合いをさらに向上して合波（結合）させている点が異なる。
【００５６】
図２０は、本発明の実施の形態９に係るフォトニック結晶における光結合の様子を示す図、すなわち、図１９における導光板１に入射する前の光結合回路５００の出射点近傍を示す図である。フォトニック結晶によって形成された赤、緑および青用導波路５０１、５０２および５０３が白色出射部７１０の近傍で密接し、方向性結合器５０５を形成している。方向性結合器５０５は、２本の導波路間隔が２格子以下になると、光が隣の導波路に漏れることにより、隣の導波路に移るという性質をもったものである（例えば、川上彰二郎監修，「フォトニック結晶技術とその応用」，シーエムシー出版，2002年3月発行，p.245参照）。この方向性結合器５０５により、Ｒ、Ｇ、Ｂはひとつの白色に合波され、発光点がひとつになり、白色出射部７１０から出射され導光板１に入射されるので、色ムラは発生しない。
【００５７】
なお、赤色ＬＥＤ３、緑色ＬＥＤ４および青色ＬＥＤ５をそれぞれ複数設置して、複数の方向性結合器５０５を用いて、複数の白色出射部７１０を備える構成にしてももちろんよい。
【００５８】
（実施の形態１０）
図２１は、本発明の実施の形態１０に係る照明装置の構成図である。本照明装置９０８は光分岐近接回路７００において、赤、緑および青色の光を入射し、それぞれ分岐させて、複数の赤、緑および青色の光にした後、複数の赤、緑および青色の光のうちそれぞれ1つの赤、緑および青色の光を近接させた近接光を形成し、出射端２０９、２１０および２１１において複数の近接光を出射する点が異なる。
【００５９】
これにより、本発明の実施の形態１０に係る照明装置は、赤、緑および青色光を出射する発光素子の発光点がほぼ同一とみなせるため、色ムラのない白色バックライトを実現できる。
【００６０】
（実施の形態１１）
図２２は、本発明の実施の形態１１に係る照明装置の構成図である。本照明装置９０９は光分岐結合回路７０１において、赤、緑および青色の光を入射し、それぞれ分岐させて、複数の赤、緑および青色の光にした後、複数の赤、緑および青色の光のうちそれぞれ1つの赤、緑および青色の光を結合させた結合光を形成し、出射端７１０において複数の結合光を出射する点が異なる。
これにより、発光点は三色に対して完全に一つの位置になり、色ムラが全く生じない照明装置を実現できる。
【００６１】
以上説明を行った実施の形態１〜１１では、フォトニック結晶で構成された光分岐回路、光近接回路、光結合回路、光分岐近接回路および光分岐結合回路を、導光板の短辺側に形成したが、長辺側に形成してももちろんよい。また、フォトニック結晶の材質、構造は、本実施の形態で示した以外のものであってももちろんよい。また、光の分岐は二分岐でなくても三分岐以上で実現してももちろんよい。また、偏光分岐した光に対して近接光または結合光を形成してももちろんよい。
【産業上の利用可能性】
【００６２】
本発明に係る照明装置は、色ムラがなく、輝度の高い液晶ディスプレイを実現することができ、パソコン、デジタルビデオカメラ、デジタルスチルカメラの液晶モニタ、および液晶ＴＶ等に適用できる。
【図面の簡単な説明】
【００６３】
【図１】本発明の実施の形態１に係る照明装置の構成図である。
【図２】本発明の実施の形態１に係る光分岐回路の構成図（一部）である。
【図３】本発明の実施の形態１に係る光分岐回路の斜視図である。
【図４】（ａ）〜（ｆ）は、本発明の実施の形態１に係る光分岐回路の製造方法を示す図である。
【図５】本発明の実施の形態１に係る液晶ディスプレイの全体図である。
【図６】本発明の実施の形態２に係る光分岐回路における光の交差の様子を示す図である。
【図７】本発明の実施の形態３に係る照明装置の構成図である。
【図８】本発明の実施の形態３に係る照明装置の分解図である。
【図９】本発明の実施の形態４に係る照明装置の構成図である。
【図１０】本発明の実施の形態４に係る照明装置の構成図（一部）である。
【図１１】本発明の実施の形態５に係る液晶ディスプレイの全体図である。
【図１２】本発明の実施の形態５に係る導光板と液晶ディスプレイの画素開口の関係を示す図である。
【図１３】本発明の実施の形態６に係る照明装置の構成図である。
【図１４】本発明の実施の形態６に係る光分岐回路における偏光分岐部および偏光分岐の様子を示す図である。
【図１５】本発明の実施の形態６に係る液晶ディスプレイの全体図である。
【図１６】本発明の実施の形態１、４〜６に係る照明装置を用いた場合の輝度比較を示す図である。
【図１７】本発明の実施の形態７に係る照明装置の構成図である。
【図１８】本発明の実施の形態８に係る照明装置の構成図である。
【図１９】本発明の実施の形態９に係る照明装置の構成図である。
【図２０】本発明の実施の形態９に係る光結合回路の構成図である。
【図２１】本発明の実施の形態１０に係る照明装置の構成図である。
【図２２】本発明の実施の形態１１に係る照明装置の構成図である。
【図２３】従来の照明装置（第１例）の断面図である。
【図２４】従来の照明装置（第２例）の構成図である。
【符号の説明】
【００６４】
１、３０１、３０２、４０１  導光板
２、４２  光分岐回路
３、３０５、４０２  赤色ＬＥＤ
４、３０６、４０３  緑色ＬＥＤ
５、３０７、４０４  青色ＬＥＤ
６、２３、２８、４４、２０６、５０１、６０１、６０２、６０４  赤色導波路
７、２４、４５、５３、２０７、５０２、６０３  緑色導波路
８、４６、５４、２０８、５０３  青色導波路
９、２０９  赤色出射部
１０、２１０  緑色出射部
１１、２１１  青色出射部
１３  光分岐回路の一部
２０  フォトニック結晶
２１、１２３  ＳｉＯ２
２２、１２１  ＡｌＮ
２５  赤色用分岐部
２６  赤色用折り曲げ部
２７  赤色導波路と緑色導波路の交差部
３１、３３  偏光板
３２  カラーフィルタ付液晶パネル
４１、８１  導波路付導光板
４３  光分岐回路を集積した導波路付導光板
４７  光分岐回路と導波路付導光板の接続部分の一部
５１、５２  フォトニック結晶欠陥（垂直立ち上げ部）
６１  カラーフィルタなし液晶パネル
７１、７２  液晶パネルの画素開口部
８２  偏光分離型光分岐回路
８３  偏光分離型光分岐回路を集積した導波路付導光板
８４  偏光表示部
８５  偏光表示部（偏光表示部８４とは異なる偏光方向）
８６  赤色偏光分離部
８７  緑色偏光分離部
８８  青色偏光分離部
９１  偏光板
９２  偏光板（偏光板９１とは異なる偏光方向）
９３  偏光板９１および９２を集積した偏光板
１１１  赤色光分岐回路
１１２  緑色光分岐回路
１１３  青色光分岐回路
１１４  積層型光分岐回路
１１５  ガラス基板
１２０  サファイア
１２２  フォトレジスト
１３０、１３２  ｓ波（ＴＥ波）
１３１、１３３  ｐ波（ＴＭ波）
１４０  偏光分離部
２００、２０１  光近接回路
３０３、３０４  ミラー
４０５  支持台
５００  光結合回路
５０５  方向性結合器
６０５、６０６  赤色導波路の隣接層への移動方向
６０７、６０８  光導波回路の層
７００  光分岐近接回路
７０１  光分岐結合回路
７１０  白色出射部
９０１、９０２、９０３、９０４、９０５、９０６、９０７、９０８、９０９、９２０、９２１  照明装置
９１０、９１１、９１２  液晶表示装置
【図１】
2005129241.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
2005129241.tif 000009
【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
2005129241.tif 000013
【図１２】
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【図１３】
2005129241.tif 000015
【図１４】
2005129241.tif 000016
【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
2005129241.tif 000019
【図１８】
2005129241.tif 000020
【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
2005129241.tif 000024
【図２３】
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【図２４】
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